混凝土材料的動態力學性能分析

李澤軒

摘 要：混凝土的應用范圍比較廣泛，特別是在建筑、橋梁等各個工程項目都離不開混凝土材料。因此，混凝土材料作為最廣泛的建筑材料，有必要對其動態力學性能進行研究和探討。該文對混凝土材料的動態力學性能進行分析，先后進行沖擊壓縮實驗、損傷演化實驗，并對損傷型動態本構關系進行研究，針對混凝土材料進行動態力學性能相關實驗思想的研究和探討。

關鍵詞：混凝土材料 動態力學 SHPB 性能

中圖分類號：TU528 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（a）-0221-01

混凝土是應用最為廣泛的工程材料，各種工程方面都離不開混凝土材料的應用。但是混凝土材料也存在許多問題，包括材料質地比較脆弱、內部組成部分相對復雜、骨料的尺寸較大以及均勻性不太好等。因此，需要對混凝土材料進行動態力學性能的相關實驗及研究。需要注明的是，SHPB實驗是材料動態力學研究最為基本的方法之一，通過SHPB設備對混凝土材料的動態力學性能進行研究也存在一定的難度。由于混凝土材料比較特殊，SHPB試驗的相關假設條件不容易滿足。因此，該文結合混凝土材料的特性，對SHPB實驗技術進行修正，以此對混凝土材料動態力學性能進行研究，不足之處，敬請指正。

1 動態力學性能研究

大部分混凝土建筑所能夠承受的是較為緩慢的靜態荷載，然而一部分特殊的建筑物要求可以承受一定沖擊荷載、抗沖擊能力以及抗層裂能力。早期大多是對彈性模量的變化進行研究，沖擊試驗一般是采用落錘設備。但是，落錘設備不能對慣性效應進行考慮，一些實驗也無法得到應力-應變曲線，得到的數據僅僅流于表面，無法起到真正的比較作用。該文主要利用SHPB實驗對混凝土材料動態力學性能進行探討。

2 沖擊壓縮實驗

實驗結果同時證明混凝土材料一方面其應變率效應十分敏感，另一方面是對損傷也存在較為顯著的影響。表1是實驗數據對比情況，以此證明混凝土材料在發生變形時，除了應變率效應之外，還有其他兩種效應，分別是應變硬化效應以及損傷軟化效應。如果混凝土試件材料承受比較小的沖擊載荷，那么混凝土所承受的損傷軟化效應不是太顯著。所以，混凝土材料的整體表現可以總結為先應變硬化，也就是應力會跟隨應變的增大而增大；隨著沖擊載荷逐漸增大，同時微裂隙也隨之擴大，損傷軟化效應會逐漸增長到和應變硬化效應保持一致；如果沖擊載荷持續增大，損傷軟化效應會逐漸加大，混凝土材料失穩，試件坍塌。

3 損傷演化實驗

實驗數據證明，微裂隙、微空洞等混凝土損傷的出現會造成材料軟化情況，實際上最為明顯的損傷軟化效應，對混凝土材料的影響更加顯著。混凝土材料的組成部分相對復雜，在成型時內部本身就存在許多微裂紋和微空洞，所以對這些損傷演化過程進行研究也是該文重要組成部分。因為從微觀上對損傷進行研究存在一定的難度，因此只能換個角度，從宏觀的角度對其進行分析研究。也即是從宏觀的層次對損傷定義，用材料試件受損傷而引發宏觀力學性能參數產生的變化對損傷進行度量。

混凝土材料一旦出現問題，彈性模量就會發生變化，因此也可以對損傷因子D進行確定，從而可以得到混凝土材料損傷演化方程，由此還得出損傷凍結實驗。具體是指試件在受到沖擊壓縮時，材料問題是如何出現和發展，同時被限制于某一個固定的應變值上，因此可以得出應變損傷值。這個數值一般是利用控制套在試件外面鋼環的高度來得出，應變率的數值利用控制子彈撞擊速度來得出。本次共做了4組實驗，每次實驗的應變率有所區別，應變控制范圍處于2000μ～3000μ之間，應變率分別設置為23/s，35/s，45/s，60/s。

4 損傷型動態本構關系

混凝土材料應變率進行大跨度動靜態壓縮實驗，得出的結果證明材料有顯著的應變率效應，在高應變率范圍更加敏感，所以應變率效率無法用Seeger模型進行描述，可以利用朱-王-唐等人提出的非線性粘彈性本構方程

其中，還需要按照混凝土材料實際特性，對其進行改進。一是要把平衡態應力考慮取一項，彈性的部分認為是線形的；二是損傷因子D是本構模型中重要的內變量，損傷因子也要添加進方程中。

5 實驗思想

混凝土材料本身存在的破壞應變不大，而且混凝土的組成部分相對而言比較復雜，材料相當脆弱。混凝土材料在進行動態力學性能方面的試驗研究過程中，在一定程度上存在較大難度。所以一些動態力學性能實驗中還引入其他技術，可以適當處理大直徑壓桿波形彌散對材料產生的影響，從而促進測量精度的提高，繼而提高混凝土材料的動態應力-應變曲線的穩定可靠性。除此之外，通過動態力學性能試驗可以對混凝土材料中微缺陷進行檢驗。微缺陷主要包括微裂隙和微空洞，會對混凝土材料的力學性能產生較大的影響，材料在做損傷試驗的過程中就可以實現對其損傷演化規律進行研究。

6 結語

綜上所述，混凝土材料一方面屬于應變率較為敏感的建筑材料，同時其損傷軟化效益比較顯著。混凝土材料的高應變率敏感性不小于準靜態實驗敏感性，所以無法選擇一般的金屬材料本構模型，該文選取的是朱-王-唐粘彈性模型。該文對有關混凝土材料動態力學性能進行研究和探討，以及對于混凝土材料的特性研究，以及混凝土材料的應用，起到一定的促進作用。

參考文獻

[1] 馬孝軒.我國主要土壤對混凝土材料腐蝕性分類[J].混凝土與水泥制品，2003（6）：6-7.

[2] 陳兵，吳科如，姚武，周鐘鳴，黃洪炳.損傷自診斷機敏混凝土材料研究[J].混凝土，2002（8）：3-5.

[3] 高娃，劉占江，郝英豪，韓青.浮石混凝土材料性能的試驗研究[J].內蒙古工業大學學報（自然科學版），2002（2）：145-146.